轮胎的有限元分析
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轿车子午线轮胎结构设计有限元分析及方案优选
化设计 后 轮 胎 的 使 用 性 能 大 大 提 高 。 王 友 善
等口 叩建立 三维 花纹 子午 线 轮胎 的有 元 模 型 ， 经
分析 研究 得 出 了额 定 负荷下 接 地压 力 和轮胎 与轮 辋接 触面 积 随充气 压 力提 高而 增大 的变 化规 律 。 高速 性 能和耐 久性 能是 轿 车轮胎 的两个重 要 性能 ， 轮胎 结构 设计 密切 相关 ， 与 如何 快 速评 判不
使用性 能 。随着 汽 车 的不 断发 展 以及性 能 的不 断 提高 ， 汽车 厂家 和 用 户对 轮 胎 性 能 的 要求 越来 越
高 ， 胎结 构设 计也 面临 着新 的挑 战 。 轮
计 算机 科学 技术 的飞 速发 展 和广泛 应用 使有 限元分 析技 术在 各种 复杂 工程 问题 中的应 用 愈来 愈显示 出其 不可 比拟 的优 越性 。轮 胎结 构 的分析 方 法也 从简 化 的轮胎模 型 分析 ， 网络理 论 、 如 薄膜 理论 、 薄壳理论 和层合 理论 ＿ 等 ， ｌ 向数值 模 拟方 向 发 展 。有 限元 分 析 技 术 能 够 定 性 、 量地 分析 轮 定 胎 结构 设计 的优 劣 、 化 产 品 结 构设 计 及 减 少 产 优
关 键 词 ： 车 子 午 线 轮胎 ； 构 设计 ； 选 ； 限元 分 析 轿 结 优 有
中 图 分 类 号 ： ６ ． ４ ． ／ ６ Ｏ２ １ ８ Ｕ４ ３ ３ １ ４ ． ； ４ ． ２ 文 献 标识 码 ： Ｂ 文章 编 号 ： ０ ６ ８ ７ （ ０ ０ Ｉ ～６ １０ １ ０ — １ １ ２ １ ） Ｉ０ ５ — ６
同结 构设 计在 这 两 方 面 性 能 的优 劣 ， 直 困扰 着 一
品开发 风 险等 ， 目前 已在 轮胎行 业 中广泛 应用 。
等口 叩建立 三维 花纹 子午 线 轮胎 的有 元 模 型 ， 经
分析 研究 得 出 了额 定 负荷下 接 地压 力 和轮胎 与轮 辋接 触面 积 随充气 压 力提 高而 增大 的变 化规 律 。 高速 性 能和耐 久性 能是 轿 车轮胎 的两个重 要 性能 ， 轮胎 结构 设计 密切 相关 ， 与 如何 快 速评 判不
使用性 能 。随着 汽 车 的不 断发 展 以及性 能 的不 断 提高 ， 汽车 厂家 和 用 户对 轮 胎 性 能 的 要求 越来 越
高 ， 胎结 构设 计也 面临 着新 的挑 战 。 轮
计 算机 科学 技术 的飞 速发 展 和广泛 应用 使有 限元分 析技 术在 各种 复杂 工程 问题 中的应 用 愈来 愈显示 出其 不可 比拟 的优 越性 。轮 胎结 构 的分析 方 法也 从简 化 的轮胎模 型 分析 ， 网络理 论 、 如 薄膜 理论 、 薄壳理论 和层合 理论 ＿ 等 ， ｌ 向数值 模 拟方 向 发 展 。有 限元 分 析 技 术 能 够 定 性 、 量地 分析 轮 定 胎 结构 设计 的优 劣 、 化 产 品 结 构设 计 及 减 少 产 优
关 键 词 ： 车 子 午 线 轮胎 ； 构 设计 ； 选 ； 限元 分 析 轿 结 优 有
中 图 分 类 号 ： ６ ． ４ ． ／ ６ Ｏ２ １ ８ Ｕ４ ３ ３ １ ４ ． ； ４ ． ２ 文 献 标识 码 ： Ｂ 文章 编 号 ： ０ ６ ８ ７ （ ０ ０ Ｉ ～６ １０ １ ０ — １ １ ２ １ ） Ｉ０ ５ — ６
同结 构设 计在 这 两 方 面 性 能 的优 劣 ， 直 困扰 着 一
品开发 风 险等 ， 目前 已在 轮胎行 业 中广泛 应用 。
滚动轮胎耐久性有限元分析
摘 要 ： 了研 究 子 午 线轮 胎 耐 久 试 验 后 的 破 坏 规 律 ， 立 了滚 动 轮 胎 三 维 非 线 性 有 限 元 模 型 。 在 为 建
模 型 中考 虑 了轮 胎 的 几 何 非 线 性 、 材料 非 线 性 以及 轮 胎 接 触 非 线性 ， 算 了滚 动 速 度 和 侧 倾 角度 对 子 午 计
形情 况 和轮胎 断 面应变 能 密度分 布 等进行 了详 细
的分 析 。
同带 束层 角 度 对 轿 车 子 午 线 轮 胎 变 形 、 束 层 、 带 冠带 层 的应 变 能密 度 、 力 的影 响 。包 静 萍 等 ［】 应 ３
收 稿 日期 ： ０ ５～１ ２ ２０ ０ ５
１ 滚 动 轮 胎 有 限 元 模 型
寿命 产 生 重 要 的影 响 。轮 胎 是 由橡 胶 及 橡 胶 一
帘线复合材料构成的层合体 ， 橡胶材料属于高分
子材 料 ， 有 耐 压 、 摩 擦 、 封 性 能 良好 等 特 具 耐 密 性 。橡 胶材 料在 受 力 状 态 下 能 够 产 生很 大 的 弹 性变 形 ， 一 变 形 过 程 是 非 常 复 杂 的 ， 有 大 位 这 伴 移、 大应 变 ， 橡胶 材 料 本 身又 是 非 线性 材 料 ， 且 并
中 图分 类 号 ： ３ ． ＴＱ３ ６ １ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ５３ ７ （０ ６ ０ ．０ ００ １０ １ ４２ ０ ） １ ２ ６ ０
在 轮胎 与地 面 相互 作 用 的过 程 中 ， 轮胎 的 性
能决 定 着两 者之 间 的 载荷 传 递特 性 ， 对 车辆 的 并 乘坐 舒适 性 、 纵 性 、 全 性 以及 轮 胎 的 磨 耗 与 操 安
采用 有 限元 法 对 不 同 轮 辋 直 径 的 轮 胎 采 用 相 同
全钢载重子午线轮胎模态的有限元分析
轮胎 作 为汽 车惟 一 的接 地部 件 ，是影 响 汽 车 操纵 稳定 性 、 平顺 性 、 油 经济 性 和振 动等 的关键 燃 因素 ， 车 的许多 重 要 性 能 都 与 轮 胎 的 动 态 特性 汽
有 关 。轮胎在 结 构 上 满 足 设计 要 求 后 ， 需 要 与 还 整 车进 行 匹配 ， 果 底 盘 和轮 胎 具 有 同样 的 振 动 如 特性 ， 会发 生 共 振 现 象 ｌ 。因此 必 须 从 分 析 轮 就 － １ ］
（ ） 略花纹 的影 响 ； ２忽
（ ） 略 ０带束 层 与第 ３带 束层 的 间隙 （ 束 ３忽 。 带
层结 构 如 图 １所示 ） ；
（） ４ 由于 气 密 层很 薄 ， 忽略 其 影 响 ， 该 层 与 将 内衬层合 并 后整 体进 行 网格划 分 ； （） ５ 考虑 到 胎肩 垫 胶 和胎 面 基 部 胶 用 的是 同
建 王 国林 应世 洲 朱长顺。 ， ， ，
４ ４ ０ ； ． 苏大 学 汽 车 与 交 通 工 程 学 院 ， 苏 镇 江 ５０ ３ ２ 江 江 ２２ １） １０ ３
摘 要 ： 用 ＡＢ 采 ＡＱＵＳ软 件 对 １ ０ ２ ２０ Ｒ ０规 格 全 钢 载 重 子 午 线 轮 胎 建 立 三 维 有 限 元 模 型 ， 对 该 模 型 进 行 模 态 分 并
限 公 司工 程 师 ， 士 ， 要 从 事 子 午 线 轮 胎 结 构 设 计 及 技 术 管 理 学 主
工作。
维普资讯
３８ ８
轮
胎
工
业
２０ ０ ８年第 ２ 卷 ８
采 用不 可压 缩 的 Ｙｅ ｈ模 型 ， 丝 帘 线 采 用 线 弹 ｏ 钢
种材料 ， 这两 处合 并后 整体 进行 网格 划分 。 将
复杂轮胎钢丝帘线有限元分析与试验研究
力 。然 后 开发 出 一种 局 部 建 模 方 法 ， 以 对 帘线 内
的有 限元 模 型 ， 二维模型有２ ３ ３ ２ 个单元 ， 钢 丝帘 线用 ｒ ｅ ｂ ａ ｒ 单元建立模型 ， 其 实 际上 是 一 种 一 维 杆单元 。三维模 型沿 周 向被划分 为 ３ ７个 断面 ， 总
１ 全 钢载 重子 午线轮 胎 整体建 模 为得 到轮 胎和 钢 丝 帘线 的整 体 响应 ， 需建 立
轮胎 断裂口 和 轮胎 动 力 学 分 析［ １ 。 建立模型 。
尽 管 在有 限元 方 法方 面取 得 了很 大成 就 ， 但 是 轮 胎设 计者 仍然 觉得 在复 杂 的道路 负载下 获得 子午
第 １ １期
危银涛等． 复 杂 轮 胎 钢 丝 帘 线 有 限元 分 析 与 试 验 研 究
６ ４ ５
复 杂 轮 胎 钢 丝 帘 线 有 限 元 分 析 与 试 验 研 究
危银 涛 ， 缪 一呜 ， 柴德 龙 ， 冯希金
（ １ ． 清 华 大学 汽 车 安 全 与 节 能 国 家 重点 实验 室 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４ ； ２ ． 杭 州 朝 阳 橡 胶有 限公 司 ， 浙 江 杭 州 ３ １ ０ ０ ０ ８ ）
关键词： 载重子午线轮胎 ； 钢丝帘线 ； 捻角 ； 捻距 ； 帘线受力测量； 有 限元分析
中图分类号 ： Ｕ４ ６ ３ ． ３ ４ １ ＋． ６ ； Ｔ Ｑ３ ３ ０ ． ３ ８ ９ ０ — ８ ９ ０ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） １ １ — ０ ６ ４ ５ — １ ３
计 变 量作 为输 入 参数 ， 提 出 了一 种 多 股 帘 线 分层 结构 的高 效 建模 方 法 。作 为 开 发 方 法 的 例 子 ， 模
的有 限元 模 型 ， 二维模型有２ ３ ３ ２ 个单元 ， 钢 丝帘 线用 ｒ ｅ ｂ ａ ｒ 单元建立模型 ， 其 实 际上 是 一 种 一 维 杆单元 。三维模 型沿 周 向被划分 为 ３ ７个 断面 ， 总
１ 全 钢载 重子 午线轮 胎 整体建 模 为得 到轮 胎和 钢 丝 帘线 的整 体 响应 ， 需建 立
轮胎 断裂口 和 轮胎 动 力 学 分 析［ １ 。 建立模型 。
尽 管 在有 限元 方 法方 面取 得 了很 大成 就 ， 但 是 轮 胎设 计者 仍然 觉得 在复 杂 的道路 负载下 获得 子午
第 １ １期
危银涛等． 复 杂 轮 胎 钢 丝 帘 线 有 限元 分 析 与 试 验 研 究
６ ４ ５
复 杂 轮 胎 钢 丝 帘 线 有 限 元 分 析 与 试 验 研 究
危银 涛 ， 缪 一呜 ， 柴德 龙 ， 冯希金
（ １ ． 清 华 大学 汽 车 安 全 与 节 能 国 家 重点 实验 室 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４ ； ２ ． 杭 州 朝 阳 橡 胶有 限公 司 ， 浙 江 杭 州 ３ １ ０ ０ ０ ８ ）
关键词： 载重子午线轮胎 ； 钢丝帘线 ； 捻角 ； 捻距 ； 帘线受力测量； 有 限元分析
中图分类号 ： Ｕ４ ６ ３ ． ３ ４ １ ＋． ６ ； Ｔ Ｑ３ ３ ０ ． ３ ８ ９ ０ — ８ ９ ０ Ｘ（ ２ ０ １ ３ ） １ １ — ０ ６ ４ ５ — １ ３
计 变 量作 为输 入 参数 ， 提 出 了一 种 多 股 帘 线 分层 结构 的高 效 建模 方 法 。作 为 开 发 方 法 的 例 子 ， 模
汽车轮毂有限元分析及优化
汽车轮毂有限元分析及优化摘要：轮毂是汽车轮胎内用于支撑轮胎和固定轮胎内缘的圆柱形金属部件，与轮胎一起受到汽车载荷的作用。
本文针对某工厂生产的轮毂进行研究，利用有限元软件对其进行强度分析和结构优化设计，最终实现轻量化设计。
关键词：汽车轮毂；有限元分析；优化前言：为了提高汽车的行驶速度，节省油耗，就要在确保有足够强度的前提下，最大地降低轮毂自身的质量。
这是本文主要的研究的目的和方向。
在研究轮毂轻量化设计的同时，也需要考虑到轮毂的刚度，要满足这个性能则应适当地降低轮毂的变形量，以确保其轮辋圆度，确保汽车行驶的稳定性和可靠性，提高其安全系数。
一、轮毂结构分析设计在汽车轮毂的结构优化方面，运用CAE软件ANSYS，将轮辐和轮毂的厚度分别用参数来表示；根据弯曲疲劳试验将轮毂所承受的最大应力值作为约束条件，将汽车轮毂的总质量作为优化函数，对轮毂的尺寸进行优化，满足轮毂轻量化的要求。
对低速行驶的载重汽车车轮在超负荷工况下进行了有限元分析，得出，当其高速行驶时，受到较小的载荷作用，轮毂的失效形式为高周疲劳破坏；当汽车在低速行驶时，受到较大的载荷，可按低周疲劳计算不同车速下的极限载荷。
运用ANSYS有限元分析软件对轮毂进行结构强度的分析，根据分析结果，为了避免出现裂痕，所采取的措施是在螺栓孔和通风孔周围进行加厚。
然后将采取措施前后的结果进行强度比较，发现在增加轮辐螺栓孔和通风孔周围厚度后，轮辐的强度比优化前要高，实现轻量化要求。
基于有限元法综合考虑了汽车轮毂模态、轮毂刚度以及轮毂弯曲疲劳寿命的影响，建立了汽车轮毂优化设计模型，进行模态分析。
通过对汽车轮毂的优化计算，得出了符合轮毂参数要求的结构尺寸。
利用PATRAN软件建立以轮辐、轮毂的厚度为设计参数，汽车轮毂的质最小为最终结果的函数模型，根据软件的计算结果，轮毂质量大大减轻。
以辐板式车轮的优化数学模型建立了轮辐上各段圆弧的曲面半径以及弧面所对应的圆心角作为设计变量，轮辐的整个曲面弧长最小为目标函数进行优化设计，对其结构尺寸进行了优化，通过优化轮毂的质量明显减轻且发现优化后轮毂所受到的应力强度较小。
abaqus 轮胎建模教程
Abaqus 轮胎建模教程简介Abaqus是一种强大的有限元分析软件，常用于模拟复杂的结构力学问题。
在这个教程中，我们将介绍如何使用Abaqus进行轮胎建模和分析。
轮胎是车辆中至关重要的部件之一，建立准确的轮胎模型可以帮助我们更好地理解轮胎的性能和行为。
步骤1：创建轮胎几何模型在Abaqus中，我们可以使用多种方法来创建几何模型。
在这个教程中，我们将使用简单的方法来创建轮胎的二维轮廓。
首先，打开Abaqus软件并创建一个新的模型。
接下来，选择创建几何模型的方法。
我们可以使用Abaqus 提供的绘图工具，也可以导入已经准备好的CAD模型。
在这个教程中，我们将使用绘图工具来创建轮胎几何模型。
创建几何模型的关键是确定轮胎的基本形状，例如总体尺寸、轮胎壁厚、胎纹等。
我们可以根据实际需求和数据来定义这些参数。
在实际应用中，通常需要使用更复杂的方法来获取轮胎几何参数。
完成轮胎几何模型的创建后，我们可以对其进行进一步的编辑和调整，以确保其符合设计要求。
在Abaqus中，我们可以使用各种编辑工具来修改几何模型的各个方面。
步骤2：设置轮胎材料属性完成轮胎几何模型的创建后，我们需要为轮胎指定材料属性。
Abaqus提供了许多预定义的材料模型，我们可以根据实际材料的力学性质来选择合适的材料模型。
在设定材料属性时，我们需要指定材料的弹性模量、泊松比、密度等参数。
这些值通常可以从实验数据或文献中获取。
Abaqus还允许我们定义材料的非线性行为，例如超弹性和塑性行为。
步骤3：创建轮胎网格完成轮胎几何模型和材料属性的设置后，我们需要对轮胎进行网格划分。
网格划分决定了模型在有限元分析中的精度和计算效率。
Abaqus提供了多种网格划分方法，例如等尺度划分和非等尺度划分。
我们可以根据实际需求和计算资源来选择合适的网格划分方法。
在网格划分过程中，我们还可以调整网格的密度和形状，以进一步优化有限元模型的精度和计算效率。
步骤4：定义轮胎加载条件在进行轮胎分析之前，我们需要定义轮胎的加载条件。
有限元分析在轮胎设计中的应用
本文研究 的聚氨 酯复合载重斜交胎 ６ ０ ９与路面静态接 ０— 触 的实例 ， 其尺寸常数为 ：
胎 体 直 径 Ｄ＝６ ０ ０ ｍｍ； 胎 体 直径 Ｄ＝６ ０ ０ ｍｍ；
我 国经过近十几年的努力 ， 在探 索有 限元法在 轮胎设计方
面 的应用上也取得 了一定的进展 。在 ２ ０世纪 ８ ０年代 中期 ， 有
【 关键词 】 有限 元分析；Ｂ Ｑ ｓ Ａ Ａ ｕ 软件； 聚氨酯一 橡胶复合轮胎 【 中图分类号 】Ｔ ３ Ｑ３ ６ 【 文献标 识码 】Ａ 【 文章编号 】１０ — ６ ３２ ０ ）８ ０ ３ — ２ ０ ３ ２ ７ （ ７０ — ０ ４ ０ ０
前 言
汽车轮胎是一种典型 的高分子弹性体复合材料 ， 它支撑 汽 车的重量 ， 传递汽车 的牵 引力矩和制动力矩 ， 起缓 冲隔振等 并 作用 ， 是汽车最重要的部件之一。汽车各种性能 的好坏与 轮胎 力学性 能的好坏有直接关系 ， 轮胎力学是一 门通过计算或 实验
２ １ 有 限元 模 型 的 建 立 ．
１ 有 限元分 析在 轮胎 设计 中的发展 情况
当 前 ， 轮 胎 理 论 上 采 用各 种 力 学 分 析 方 法 ， 实 际 上 所 在 但 使 用 的 理 论 方 法 主要 包 括 ： 格 理 论 ｅｔ ｇＴ ｅ ｒ）薄 膜 理 网 ｔｎ ｈ ｏｙ、 ｉ
的总体及局部变 形 ， 内部各 点的应力 、 应变 ， 接地 面形状 、 大小 及接地压力 ， 胎圈部 位受力等日 尽管结构分析本身 的数据 和结 。 论不能直接用于确定轮胎的结构和设计 ， 结合一定的设计理 但
论 ， 化 准 则 及 比较 分 析 ， 可 获 得 最 佳 的 轮胎 结 构 和几 何 形 优 就
论 （ ｍｂａ ｅＴ ｅｒ）薄壳 理 论 （ ｈｎＳ ｅｌ ｈ ｏｙ 、 合 理 Ｍｅ ｒｎ ｈ ｏｙ 、 Ｔ ｉ ｈ ｌＴ ｅ ｒ）层
三维轮胎有限元模型
第28卷第2期2001年北京化工大学学报JOURNAL OF BEI J IN G UN IV ERSIT Y OF CHEMICAL TECHNOLO GYVol.28,No.22001斜交轮胎的三维有限元模型孙淮松 崔文勇 徐 鸿(北京化工大学机电工程学院,北京 100029)摘 要:利用AU TOCAD 绘制轮胎断面轮廓图和材料分布图;编写AU TOL ISP 程序实现CAD 与ANSYS 的接口;采用ANSYS 有限元程序中的三维体单元、层单元建立的斜交轮胎(9.00220216PR )的三维有限元模型可有效地用于轮胎的非线性有限元分析。
从而进一步完善了斜交轮胎三维有限元模型的技术。
关键词:斜交轮胎;非线性分析;有限元模型中图分类号:O 242121收稿日期:2000209205第一作者:男,1976年生,硕士生 我国公路的实际状况,斜交轮胎仍将有很大的市场,对斜交轮胎进行理论分析及优化设计有着十分重要的实际工程意义[1]。
当前世界各大轮胎公司都已采用CAD 技术设计其产品结构,并用三维有限元技术来模拟轮胎在各种工况下的力学行为。
有限元分析方法在子午线轮胎结构设计与性能分析中已被广泛采用,但很少见到用该方法研究斜交轮胎的报道。
笔者认为三维非线性有限元法也是目前能够最有效地模拟斜交轮胎性能的技术方法之一。
1 轮胎径向截面有限元节点的形成1.1 绘制轮胎结构初始轮廓曲线轮胎结构设计的第一步是确定轮胎的初始轮廓曲线。
斜交轮胎的初始轮廓曲线可采用文献[2]中所述的作图法确定。
图1、图2分别为用CAD 技术绘成的9100220216PR 的斜交轮胎的径向截面轮廓图及材料分布图。
1.2 数字化轮廓的绘制由于采用ANSYS 软件进行有限元分析,因此为了更好地实现CAD 模型与ANSYS 的接口,特将轮胎的材料分布图制成数字化轮廓图。
采用数字化轮廓,可以在屏幕上交互地随意改变这些坐标点的位置以灵活地改变轮廓曲线形状。
基于ANSYS层单元的翻新轮胎有限元仿真分析
Ａ Ｓ Ｓ软件 的层 单 元对 翻新 轮 胎 变 形 特 性 进行 ＮＹ 了有 限元分 析 ， 析 中考 虑 了诸如 翻新 轮 胎 复 杂 分
ＡＮＳ 层 单元 ＹＳ 模拟
——１一
接触单元 法 分步加 载法 大变 形 自由 迭代 求解
组分结 构 、 大变形 中的非线 性 、 向异性 的复 合增 各 强材料 、 与路面接触 以及负荷条件 等 因素 。轮 胎有 限元分析 软 件有 两 类 ： 类 为通 用 有 限元 分 析 软 一
件 ， Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｓ Ｒ Ｎ等 ； 类为 专用有 限元 分 如 Ｎ Ｙ 、Ａ Ｔ Ａ 一 析软件 。轮 胎 的有 限元 分 析 中 ， 多采 用 Ｍｏｎｙ 大 ｏ ｅ
—
仿 真分析 及 试验验证
Ｒｖｎ超弹性体模 型 ， 模 型对分 析轮 胎力学 性 ｉｉ ｌ 该
仿真结论
能变趋势起到了有效的作用 ， 但结构复杂， 未知
参数 较多 ， 且很难 准确确定 ， 因此 ， 限制 了其推 广应
用 。为此 ， 以 １Ｒ ２ ５翻新 轮胎为研 究对 笔者 １２ ． 象， 以分析胎面层与胎体层 的结合力 学性能 为主要 目标 ， 实验测 定 了胎面 层 、 冲层 和胎 体层 橡胶 基 缓 体的材料力学性能参数 ， 为实 际地模拟 了翻新轮 较
第３卷 第５ ２ 期
２１ ００年 １ ０月
武 汉 理 工 大 学 学 报 ・信 息 与 管 理 工 程 版
Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ Ｔ Ｉ Ｆ Ｒ Ａ Ｉ Ｎ＆ ＭＡ Ａ Ｅ Ｎ Ｎ ＩＥ ＲＮ Ｏ Ｒ Ａ ＦＷＵ （Ｎ Ｏ Ｍ ＴＯ Ｎ Ｇ ＭＥ ＴＥ ＧＮ Ｅ ＩＧ）
Ｖ０ ． ２ Ｎｏ． １３ ５ ０ｃ ． ｔ２０１ ０
材 料 ， 弹性 模量 由实 验测 得 ， 其 翻新轮 胎胎体 可 视 为正交 各 向异性 材料 。根据 各 向异性 的 弹性 体力 学 本构 方程 ， 胎体 为横 向 同性 钢丝 帘线／ 橡胶 复 合
ＡＮＳ 层 单元 ＹＳ 模拟
——１一
接触单元 法 分步加 载法 大变 形 自由 迭代 求解
组分结 构 、 大变形 中的非线 性 、 向异性 的复 合增 各 强材料 、 与路面接触 以及负荷条件 等 因素 。轮 胎有 限元分析 软 件有 两 类 ： 类 为通 用 有 限元 分 析 软 一
件 ， Ａ Ｓ Ｓ Ｎ Ｓ Ｒ Ｎ等 ； 类为 专用有 限元 分 如 Ｎ Ｙ 、Ａ Ｔ Ａ 一 析软件 。轮 胎 的有 限元 分 析 中 ， 多采 用 Ｍｏｎｙ 大 ｏ ｅ
—
仿 真分析 及 试验验证
Ｒｖｎ超弹性体模 型 ， 模 型对分 析轮 胎力学 性 ｉｉ ｌ 该
仿真结论
能变趋势起到了有效的作用 ， 但结构复杂， 未知
参数 较多 ， 且很难 准确确定 ， 因此 ， 限制 了其推 广应
用 。为此 ， 以 １Ｒ ２ ５翻新 轮胎为研 究对 笔者 １２ ． 象， 以分析胎面层与胎体层 的结合力 学性能 为主要 目标 ， 实验测 定 了胎面 层 、 冲层 和胎 体层 橡胶 基 缓 体的材料力学性能参数 ， 为实 际地模拟 了翻新轮 较
第３卷 第５ ２ 期
２１ ００年 １ ０月
武 汉 理 工 大 学 学 报 ・信 息 与 管 理 工 程 版
Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ Ｔ Ｉ Ｆ Ｒ Ａ Ｉ Ｎ＆ ＭＡ Ａ Ｅ Ｎ Ｎ ＩＥ ＲＮ Ｏ Ｒ Ａ ＦＷＵ （Ｎ Ｏ Ｍ ＴＯ Ｎ Ｇ ＭＥ ＴＥ ＧＮ Ｅ ＩＧ）
Ｖ０ ． ２ Ｎｏ． １３ ５ ０ｃ ． ｔ２０１ ０
材 料 ， 弹性 模量 由实 验测 得 ， 其 翻新轮 胎胎体 可 视 为正交 各 向异性 材料 。根据 各 向异性 的 弹性 体力 学 本构 方程 ， 胎体 为横 向 同性 钢丝 帘线／ 橡胶 复 合
有限元法在轿车子午线轮胎结构分析中的应用
稍小。
对 于耐 久性 能 ， 当达 到 １ ０ｈ后 就 不 再 继 续 ２
进行 ， 实测 时每条 轮胎都 能达 到这个 要求 ， 并且 试
验 后轮 胎未 损坏 。胎 圈部位 对耐久 性能 的影 响较 大， 两方 案轮 胎胎 圈部位 最大 应变 能基本 一致 ， 因
蔼
＝
＼
此 耐久 性能 相 当。
高速 性 能主要 由胎 肩 部 位决 定 ， 案 ２轮 胎 方 的胎肩 和第 １带 束层 最 大 应 变 能 比方 案 １稍 大 ，
因此方案 １ 胎 的高速性 能较 好 。 轮 从表 ３可 以看 出 ， 案 １略优 于方 案 ２ 由 方 。 此 可见 ， 限元分析 结论 与实 测结果 相 吻合 。 有
压 力分 布状 况 。两 方 案轮胎 胎面接 地单 元径 向正 应 力分 布如 图 １ 所 示 ， ３ 由图 １ ３可 以看 出 ， 案 １ 方
柑
的最大值 略 小 ， 两方 案非常 接近 。 但
山
＼
Ｒ
匿
ａ＿
羔
、 、
氇
厘
注 同图 １ 。 ３
图 ｌ 方 案 １ ２轮 胎 第 ２带 束 层 径 向 正 应 力 分 布 ５ 和
（） 案 １ ａ方
３ ２ １ ２ 胎 圈部位 ．． ． 两方 案 轮胎 胎 圈 部 位 最 大 应 变 能 如 图 ７所
示 ， 图 ７可 以看 出 ， 从 两方 案基 本一致 。 由上 述分 析可 知 ， 方 案 胎 肩部 位 性 能 略 优 原 于修 改方 案 ， 而胎 圈性能基 本一 致 。 由此 可见 ， 在
３ ２ ２ １ 第 １带束 层 ． ． ．
两方 案轮 胎第 １ 带束 层各 单元应 变 能大小 如
对 于耐 久性 能 ， 当达 到 １ ０ｈ后 就 不 再 继 续 ２
进行 ， 实测 时每条 轮胎都 能达 到这个 要求 ， 并且 试
验 后轮 胎未 损坏 。胎 圈部位 对耐久 性能 的影 响较 大， 两方 案轮 胎胎 圈部位 最大 应变 能基本 一致 ， 因
蔼
＝
＼
此 耐久 性能 相 当。
高速 性 能主要 由胎 肩 部 位决 定 ， 案 ２轮 胎 方 的胎肩 和第 １带 束层 最 大 应 变 能 比方 案 １稍 大 ，
因此方案 １ 胎 的高速性 能较 好 。 轮 从表 ３可 以看 出 ， 案 １略优 于方 案 ２ 由 方 。 此 可见 ， 限元分析 结论 与实 测结果 相 吻合 。 有
压 力分 布状 况 。两 方 案轮胎 胎面接 地单 元径 向正 应 力分 布如 图 １ 所 示 ， ３ 由图 １ ３可 以看 出 ， 案 １ 方
柑
的最大值 略 小 ， 两方 案非常 接近 。 但
山
＼
Ｒ
匿
ａ＿
羔
、 、
氇
厘
注 同图 １ 。 ３
图 ｌ 方 案 １ ２轮 胎 第 ２带 束 层 径 向 正 应 力 分 布 ５ 和
（） 案 １ ａ方
３ ２ １ ２ 胎 圈部位 ．． ． 两方 案 轮胎 胎 圈 部 位 最 大 应 变 能 如 图 ７所
示 ， 图 ７可 以看 出 ， 从 两方 案基 本一致 。 由上 述分 析可 知 ， 方 案 胎 肩部 位 性 能 略 优 原 于修 改方 案 ， 而胎 圈性能基 本一 致 。 由此 可见 ， 在
３ ２ ２ １ 第 １带束 层 ． ． ．
两方 案轮 胎第 １ 带束 层各 单元应 变 能大小 如
轮胎与转鼓之间相互作用的有限元分析
摘 要 ：利 用三 维非线 性 有 限 元 分析 软 件—— ＭＳ ． Ｃ ＭＡＲ Ｃ软 件 ， 究 了轮 胎材 料 的非 研
线性 、 触 非线性 以及 大 变形 等 复杂 的力 学特 性 ， 立 了轮 胎的 三 维非线性 有 限元分析 模 接 建 型； 分析 了轮 胎在 不 同转鼓 半径 下的接 触 法向 力 、 触面积 和接 触 印痕之 间的 关 系。结果 接 表明： 转鼓 半径对轮 胎接 触 法 向力 、 触 面积 等都 有 显 著影 响 。随转 鼓 半径 增 大 ， 触 法 接 接
向 力分布趋 于平 面 时的接 触法 向力 分布 ， 触 印痕 面积 也 增 大 ； 接 转鼓 半 径越 大 ， 模 拟平 其
面路 面 效 线性 有 限元分 析 ；转鼓 试验 机 ；接 触特性
中 图分 类号 ： ＴＱ ３ ． ３６ １ 文 献标识 码 ： Ａ
Ｎｏ ｌｎｅ ｒ Ｆｉ ｔ ｅ ｎｔＡｎ ｌ ｓ ｓ Ｂｅ ｗｅ ｎ Ｔｉ ｅ ａ ｕ ｎ ｉ ａ ｎｉｅ Ｅｌ ｍｅ ａ ｙ ｉ ｔ ｅ ｒ ｎｄ Ｄｒ ｍ
Ｗ ＡＮＧ ｉ ｎ ｙ Ｊ ａ － ｉ，Ｗ ＡＮＧ Ｗ ｅ ｉ，Ｚ ＨＡＮＧ ｎ ，ＺＨＡ Ｓ ｕ ｇ ｏ Ｐｉ ｇ ｏ ｈ － ａ
ａ ｄ ｃ ｎ ａ ｔｎ ｎ ｌ ｅ ｒｔ ．ａｔ ｒ ｅｄ ｍｅ ｓｏ ａ ｉ ｉ ｌｍｅ ｔｍｏ ｅ ｏ ８ ／ ０ ４ ｉｅ ｎ ｏ ｔ ｃ ｏ —ｉ ａ ｉｙ ｈ ｅ － ｉ ｎ ｉｎ ｌｆ ｔ ｅｅ ｎ ｄ ｌ ｒ１ ５ ７ Ｒ１ Ｃ ｔｒ ｎ ｎｅ ｆ
ｗａ ｉｔ ｉ ｈｅ ｎｕ ｅ ｉ ａ ｔ ｄｉｓ Ｔｈｅ ｒ ｌ ｔｏ ｈｉ ｅ ｗｅ ｎ ｔ ｏ ａ ｔｎｏ ｍ ａ ｏ ｃ ｓ ｂｕ ｌ ｎ ｔ ｍ ｒｃ ｌｓ ｕ ｅ ． ｅａ ｉ ｎｓ ｐ ｂ ｔ ｅ ｈｅ ｃ ｎｔ ｃ ｒ ｌｆ ｒ ｅ， ａ ｅ ｆｔｒ ｏ ｔ ｉ ，ａ ｏｏ ｐ ｉ ｉｅ ｕ ｅ ｆｅ ｅ ａ ｕ ｕ ｗａ ｉ ｃ ｓ ｅ ． ｒ ａ ｏ ｉｅｆ ｏ ｐｒｎｔ ｎｄ ｆ ｔ ｒｎｔｏｆｔｒ ｎｄ ｒｄｉｆ ｒ ｎｔｒ ｄｉ ｓｏｆｄｒ ｍ ｓ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ Ｒｅ ｕｌｓ ｓ ｗ ｈａ ｈ ａ ｉ ｓ ｏｆｄｒ ｍ ａ ｉ ｎｉｉａ ｆｅ ｔ ｏ ｈｅ ｃ ｎｔ ｃ ｏ ｍ ａ ｏ ｃ ｓ ｔ ｈｏ ｔ ｔ ｔ ｅ ｒ ｄ ｕ ｕ ｈ ｓ ｓ ｇ ｆｃ ｎｔｅ ｆ ｃ ｎ ｔ ｏ ａ ｔ ｎ ｒ ｌｆ ｒ ｅ ａ ｈ ｒ ａ ｏｆｔｒ ｏ ｐ ｉ ｔ Ａｃ ｏ ｄｉ Ｏ ｔ ｎｃ ｅ ｓ ｆｔ ａ ｉ ｒ ｍ ，ｔ ｅ ａ ｅ ｎｄ ｔ ｅ ａ ｅ ｉｅ ｆ ｏｔ ｒｎ ． ｃ ｒ ｎｇ ｔ ｈｅ ｉ ｒ ａ ｅ ｏ ｈｅ ｒ ｄ ｕｓｏｆｄ ｕ ｈ ｒａ ｏ ｉｅ ｆ ｏｔ ｉ ｔｂｅ ｏ ｓｌ ｒ ｒ ｆｔｒ ｏ ｐｒｎ ｃ ｍｅ ａ ｇｅ ．Ｔｈｅ ｌ ｒ ｅ ｈ ａ ｉ ｆｄ ｕ ｉ ａ ｇ ｒｔ ｅ ｒ ｄ ｕｓｏ ｒ ｍ ｓ，ｔ ｔ ｅ ｈ ｉ ｈｅｂｅ ｔ ｒｔ ｅ ｓｍｕｌ — ａ ｔｏｎ ｏ ｌ ｔｒｇ ｄ ｒ ａ ｕ ｆ ｃ ． ｉ ｆｆａ ｉ ｉ ｏ ｄ ｓ ｒ ａ ｅ Ｋｅ ｒ ｓ：ｒ ｄ ａ ｉｅ；ｎ ｙ ｗｏ ｄ ａ ｉｌｔｒ ｏｎｌｎ ａ ｉ ｅ ｒ ＦＥＡ ；ｄ ｕ ｔ ｓ ａ ｈ ｎｅ；ｔ ｕｃ ｎ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｒ ｍ ｅ ｔｍ ｃ ｉ ｏ ｈｉ ｇ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｉｓ
利用有限元分析指导8R22.5轮胎设计
轮 廓及结构设 计 。带 束层采用 ３ 加 ｏ带 束层结 层 。
构 。 初 始 轮 廓 形 状 及 结 构 如 图 １所 示 。
初始结构 设计 的主要特点 如下 ：
作 者 简 介 ： 莹 （ ９３ ） 男 ， 徽 铜 陵 人 ， 通 轮 胎 （ 国 ） 朱 １８ ， 安 佳 中 研发 中心 工 程师 ， － ， 学 Ｉ 主要 从 事 全 钢 子 午 线 轮 胎开 发 及 技 术 支 ： 持工作 。
图 ２ 初 始 设 计 充气 前 后 轮 廓 形 状对 比
符合设 计要 求 。
１ ３ ２ 接 地 形 状 ．．
初 始 设 计 接 地 压 力 分 布 如 图 ３所 示 。 由 图 ３
可以看 出 ， 始设计 虽 然轮廓 形状 较好 ， 初 但接 地状
况 并 不 理 想 ， 冠 中 部 的 接 地 应 力 过 于 集 中 ， 不 胎 也 均 匀 ， 胎 肩 部 位 的 接 地 应 力 相 对 不 足 ， 部 接 地 而 肩 印 痕 不 理 想 ， 重 影 响 了胎 面 接 地 的 有 效 性 ， 轮 严 对 胎 的耐磨 性能将 产生 不利 影 响 。
根 据 ＧＢ Ｔ ２ ７— １ ９ ， 定 ８ ２ ５无 内 ／ ９ ７ ９７ 确 Ｒ２ ．
胎 全钢载 重子午 线轮 胎 的技 术参 数 如下 ： 辋 轮
６ ０ ， 级 １ Ｐ 充 气 外 直 径 （ ３ ± ９ ３ ） ．０ 层 ２ Ｒ， ９５ ． ５ ｍｍ， 气 断 面 宽 （０ 土 ７ １ ｉ ， 准 充 气 压 充 ２ ３ ． ）ｈｍ 标
１ ３ １ 充气 轮 廓 ． ．
基 于 初 始 设 计 进 行 有 限元 分 析 得 到 充 气 前 后
轮廓形 状 对 比如 图 ２所示 。 由图 ２可 见 ， 体 轮 胎 廓在充 气后除胎 冠 部适 度 向外 扩 张 ， 胎侧 变形 区 域 及带束 层端 点处 变形 较小 ， 明初 始 设计基 本 表
子午线轮胎有限元分析 第8讲 子午线轮胎稳态滚动分析
点在 ｔ ＝０时 位 于 Ｐ ， ｔ ０ 在 时刻 ， 运 动 由三 部 分 其
组成：
・
对式 （ ） （ ） ４ 和 ５ 求导 ， 得
Ｒ ＝ ∞ Ｒ Ｒ ＝ ＝ ：∞ Ｒ （） ８ （） ９
由于旋 转从 Ｐ 运动到 位置 Ｘ；
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为硬度不 同的胶料； 胎体 、 带束层 、 胎圈包布和钢
丝 圈都是 一层 或多 层帘线 胶 复合 材料 。 橡
２ １ 有 限元 网格 划分 ．
类 似地 ， 式 （ ） 行 二 次 求 导 可 得 加 速 度 对 ３进
（ ： ｎ）
为 了更好 地模 拟帘线 一 胶复 合 材料 ， 合 理 橡 需 简化 模型 ， 本研 究 利 用 软件 提 供 的加 强 筋模 型来 模拟 轮胎 中 复 杂 的多 层 帘 线一 胶 复 合 材 料 。利 橡
∞ ． ∞ ，： ∞ ＝（ ｒ＝ １ ｌ ×， ． ×ｒ （） ６ （） ７
研究 如 图 １ 所示 的轴对称 物体 。物 体绕 对称 轴 在点 Ｐ 以角 速度 ∞ 旋 转 ， 同时 以侧 偏 角速
度 ∞ 在 点 Ｐ 绕轴 转 动 。假 设 物 体 上有 一 质
为 由稳态 条件 得 到 的与时 间相关 的 函数 ；
・
３ 运 动可 描述 为 ： 个
Ｘ ＝ Ｒ Ｐｎ Ｐ ＋ Ｐ （ ～ ）
Ｙ ＝ Ｄ（ ）
材 料 的非线 性 和不 可压缩 性 、 帘线一 胶 复合 材料 橡
的各 向异性 、 轮胎 大 变形 导致 的几 何 非 线性 以及 轮胎与 路面 的接 触 非线 性 边 界 条 件 ， 立 子午 线 建 轮胎 的三维非 线性稳 态滚 动有 限元 模 型。 ｌ 稳 态滚动 分析 原理
组成：
・
对式 （ ） （ ） ４ 和 ５ 求导 ， 得
Ｒ ＝ ∞ Ｒ Ｒ ＝ ＝ ：∞ Ｒ （） ８ （） ９
由于旋 转从 Ｐ 运动到 位置 Ｘ；
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为硬度不 同的胶料； 胎体 、 带束层 、 胎圈包布和钢
丝 圈都是 一层 或多 层帘线 胶 复合 材料 。 橡
２ １ 有 限元 网格 划分 ．
类 似地 ， 式 （ ） 行 二 次 求 导 可 得 加 速 度 对 ３进
（ ： ｎ）
为 了更好 地模 拟帘线 一 胶复 合 材料 ， 合 理 橡 需 简化 模型 ， 本研 究 利 用 软件 提 供 的加 强 筋模 型来 模拟 轮胎 中 复 杂 的多 层 帘 线一 胶 复 合 材 料 。利 橡
∞ ． ∞ ，： ∞ ＝（ ｒ＝ １ ｌ ×， ． ×ｒ （） ６ （） ７
研究 如 图 １ 所示 的轴对称 物体 。物 体绕 对称 轴 在点 Ｐ 以角 速度 ∞ 旋 转 ， 同时 以侧 偏 角速
度 ∞ 在 点 Ｐ 绕轴 转 动 。假 设 物 体 上有 一 质
为 由稳态 条件 得 到 的与时 间相关 的 函数 ；
・
３ 运 动可 描述 为 ： 个
Ｘ ＝ Ｒ Ｐｎ Ｐ ＋ Ｐ （ ～ ）
Ｙ ＝ Ｄ（ ）
材 料 的非线 性 和不 可压缩 性 、 帘线一 胶 复合 材料 橡
的各 向异性 、 轮胎 大 变形 导致 的几 何 非 线性 以及 轮胎与 路面 的接 触 非线 性 边 界 条 件 ， 立 子午 线 建 轮胎 的三维非 线性稳 态滚 动有 限元 模 型。 ｌ 稳 态滚动 分析 原理
轮胎有限元分析软件计算精度分析
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第 ７期
赵 剑 铭 等 ． 胎有 限 元 分 析 软 件 计 算 精 度 分 析 轮
３１ ９
轮胎 有 限元 分 析 软 件 计 算 精 度 分 析
赵剑 铭 李 伟 ， ， 张峰 荣
（． 钱 集 团股 份 有 限 公 司 上 海 轮 胎 研 究 所 ， 海 １双 上 ２ ０ ４ ； ． 京 科 技 大 学 远 程 与 成 人 教 育 学 院 ， 京 １ ０ ２ ） ０ ２ ５ ２北 北 ００ ４
２ ＋ ＋ １Ｉ ｐ 。 １— Ｓ （） ２
根据 图 １可 得 到 ｚ 方 向 内 压 作 用 引 起 的
合力 ：
作 者 简 介 ： 剑 铭 （９ ２）男 ， 赵 １７一 ， 上海 人 ， 双钱 集 团 股 份有 限 公 司 高 级工 程 师 ， 士 ， 要 从 事 轮 胎 基 础 力 学 研 究 和结 构设 计 工作 。 学 主
—— 橡胶 单元 的周 向应 力 ； Ｓ—— 橡胶单 元 的面 积 ；
— —
加强 筋单 元 的周 向作用 力 ；
橡 胶材 料 ， 设沿 胎 冠对称 线共 有 ｎ个 单元 ， 假 单元
ｉ 受 的横 向应力 为 ， 所 由于是 充气 平 衡 状态 ， 同
一
ｚ —— 单元 长度 ； ｓ —— 加 强筋 钢丝 间距 ；
在 实 际应 用 中 ， 应取 断面 内所 有 单元 的周 向
力 之 和 进 行 比较 ， 即
维普资讯
３２ ９
轮
胎
工
业
２０ ０ ８年第 ２ ８卷
∑ Ｔ ＋∑ ＋∑ Ｔ —ｐ。 （） ｌ Ｓ ３
—
ｌ
一 １
一 １ Biblioteka 式 中 ｍ—— 断 面 内 的 橡 胶 单 元 总 数 （ 里 包 括 这
第 ７期
赵 剑 铭 等 ． 胎有 限 元 分 析 软 件 计 算 精 度 分 析 轮
３１ ９
轮胎 有 限元 分 析 软 件 计 算 精 度 分 析
赵剑 铭 李 伟 ， ， 张峰 荣
（． 钱 集 团股 份 有 限 公 司 上 海 轮 胎 研 究 所 ， 海 １双 上 ２ ０ ４ ； ． 京 科 技 大 学 远 程 与 成 人 教 育 学 院 ， 京 １ ０ ２ ） ０ ２ ５ ２北 北 ００ ４
２ ＋ ＋ １Ｉ ｐ 。 １— Ｓ （） ２
根据 图 １可 得 到 ｚ 方 向 内 压 作 用 引 起 的
合力 ：
作 者 简 介 ： 剑 铭 （９ ２）男 ， 赵 １７一 ， 上海 人 ， 双钱 集 团 股 份有 限 公 司 高 级工 程 师 ， 士 ， 要 从 事 轮 胎 基 础 力 学 研 究 和结 构设 计 工作 。 学 主
—— 橡胶 单元 的周 向应 力 ； Ｓ—— 橡胶单 元 的面 积 ；
— —
加强 筋单 元 的周 向作用 力 ；
橡 胶材 料 ， 设沿 胎 冠对称 线共 有 ｎ个 单元 ， 假 单元
ｉ 受 的横 向应力 为 ， 所 由于是 充气 平 衡 状态 ， 同
一
ｚ —— 单元 长度 ； ｓ —— 加 强筋 钢丝 间距 ；
在 实 际应 用 中 ， 应取 断面 内所 有 单元 的周 向
力 之 和 进 行 比较 ， 即
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３２ ９
轮
胎
工
业
２０ ０ ８年第 ２ ８卷
∑ Ｔ ＋∑ ＋∑ Ｔ —ｐ。 （） ｌ Ｓ ３
—
ｌ
一 １
一 １ Biblioteka 式 中 ｍ—— 断 面 内 的 橡 胶 单 元 总 数 （ 里 包 括 这
CAE_0001
图 !" 车轮的实体模型 #$%& ! ’()*+ (, -.**+
以观察轮辐上的通风孔和螺栓孔对车轮应力分布的影响。
图 /" 车轮的有限元模型 #$%& / #$0$1* 2+*3*01 ’()*+ (, -.**+
!" 有限元模型计算
由于静态加载试验条件下的车轮处于复杂应力状态， 所以有限 元计算的车轮应力分布用 901 :;<2< 应力表示。需要说明的一点是， 在 "#$%&’ 中， 四边形壳单元有内外表面之分， 在相同的约束和加载 条件下， 内外表面的应力大小和分布往往不同。图 = 所示为有限元 方法计算出的车轮应力分布情况 （ 此结果为车轮外表面， 即静态加载 试验时粘贴应变花一侧的应力分布） 。
［=］ 计算两个主应 片。测得应变花三个方向上的应变， 可用以下公式
力、 主方向和测点的 901 :;<2< 应力 （ 弹性模量 # G () .A H -. , :>?， 泊松比 ! G .) ! ）
"$ ") $ $)
图 4" 车轮的应力分布 （ 单位： ’56） #$%& 4 718*99 :$918$;<1$(0 (, -.**+
图 =" 试验台照片 #$%& = 5.(1( (, >*91 ?*0@.
由于车轮结构复杂， 在试验载荷作用下结构处于复杂应力状态， 因此试验中采用 =,@ 应变花测量应变， 以得到 901 :;<2< 应力。图 5 示出应变花在车轮上粘贴的位置。粘贴的 A 个应变花分别用字母 & B C 表示。应变花 &， D 和 E 粘贴在轮辐的凸起处， 此处是有限元计 算中指明的高应力区域， 并且应力变化梯度比较大， 测量这个部位的 应变值可以得到感兴趣区域的应力分布情况。在与 &， D， E 对应的 轮辐通风孔旁粘贴一个应变片 $， 测量此处的应变可以观察轮辐通 风孔两侧的应力集中情况。应变片 %， F， C 粘贴在沿车轮径向与 D 同一半径的位置上， 角度如图 5 所示， 将其与 D 处的应力相比较， 可
以观察轮辐上的通风孔和螺栓孔对车轮应力分布的影响。
图 /" 车轮的有限元模型 #$%& / #$0$1* 2+*3*01 ’()*+ (, -.**+
!" 有限元模型计算
由于静态加载试验条件下的车轮处于复杂应力状态， 所以有限 元计算的车轮应力分布用 901 :;<2< 应力表示。需要说明的一点是， 在 "#$%&’ 中， 四边形壳单元有内外表面之分， 在相同的约束和加载 条件下， 内外表面的应力大小和分布往往不同。图 = 所示为有限元 方法计算出的车轮应力分布情况 （ 此结果为车轮外表面， 即静态加载 试验时粘贴应变花一侧的应力分布） 。
［=］ 计算两个主应 片。测得应变花三个方向上的应变， 可用以下公式
力、 主方向和测点的 901 :;<2< 应力 （ 弹性模量 # G () .A H -. , :>?， 泊松比 ! G .) ! ）
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图 4" 车轮的应力分布 （ 单位： ’56） #$%& 4 718*99 :$918$;<1$(0 (, -.**+
图 =" 试验台照片 #$%& = 5.(1( (, >*91 ?*0@.
由于车轮结构复杂， 在试验载荷作用下结构处于复杂应力状态， 因此试验中采用 =,@ 应变花测量应变， 以得到 901 :;<2< 应力。图 5 示出应变花在车轮上粘贴的位置。粘贴的 A 个应变花分别用字母 & B C 表示。应变花 &， D 和 E 粘贴在轮辐的凸起处， 此处是有限元计 算中指明的高应力区域， 并且应力变化梯度比较大， 测量这个部位的 应变值可以得到感兴趣区域的应力分布情况。在与 &， D， E 对应的 轮辐通风孔旁粘贴一个应变片 $， 测量此处的应变可以观察轮辐通 风孔两侧的应力集中情况。应变片 %， F， C 粘贴在沿车轮径向与 D 同一半径的位置上， 角度如图 5 所示， 将其与 D 处的应力相比较， 可
轮胎振动特性的有限元分析及关键影响因素研究
向、 横 向、 周 向各 阶 振 型 ， 并 进 行 了实 际 轮 胎 的振
动模 态试 验 。在 此 基 础 上 ， 采 用有 限元 分 析方 法
轮胎 质量 或 刚度 不 均匀 带 来 的激 励 ， 轮 胎 在 这 两 种激 励 的作用 下 会 发 生复 杂 的 振 动 ， 轮胎 的振 动
会 引起周 围空气 的振动 ， 从 而 产生 噪声 。据统计 ， 高 速运动 中的轮胎 噪声 已经 成为汽 车噪声 的 主要
多种性 能 ， 例如 操 纵稳 定 性 、 乘 坐舒 适性 、 噪声 等 都 与轮 胎有 很大 的关 系 。轮胎 的周 向一 阶扭 转振
性 进行 了试验 测 量 和分 析 ， 并 在 此基 础 上 建 立 了 轮 胎 的振 动 模 型 。Ｂ ． Ｓ ． Ｋｉ ｍ 等 采 用 试 验 方 法 对各 种 不 同规 格轮 胎进行 了不 同条 件下 的 固有 频
中 图分 类 号 ： ＴＱ３ ３ ６ ． １ １ ； ０２ ４ １ ． ８ ２ 文献 标 志 码 ： Ｂ 文 章编 号 ： １ ０ ０ ６ — ８ １ ７ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ ０ １ ２ － ０ ９
轮 胎是 汽 车 与地 面接 触 的唯 一部 件 ， 汽 车 的
来源。
进一 步对 影响轮 胎 振 动特 性 的 各 种 因 素 （ 充 气 压 力、 带 束层 角度 等 ） 进 行 分析 ， 揭示 了轮 胎 振 动 特
性 与轮胎 使 用 条 件 以及 材 料 特 性 之 间 的 相 互 关 系， 为解 决轮 胎配 套 过 程 中遇 到 的振 动 和舒 适 性 问题提供 了方 向。
率 和模 态振 型研 究 ， 结 果 表 明 随着 充 气 压力 的提 高和施 加负荷 的增 大 ， 轮 胎 固有频 率 随之提 高 ； 对
12R22.5_全钢胎胎圈内凹问题有限元分析
12R22.5全钢胎胎圈内凹问题有限元分析王慎平1张永锋1傅相诚1武茂军21.浦林成山（青岛）工业研究设计有限公司 2.浦林成山（山东）轮胎有限公司摘 要：在使用不同厂家和型号的成型机生产全钢胎12R22.5规格时，某些成型机生中国橡胶应用技术APPLIED TECHNOLOGY由此认为，产生问题的原因应该是：不同的成型机使用不同的扇形块，导致在成型过程中生产出不同的胎胚，硫化出的成品胎也就有很大差异。
二、扇形块形状对成型胎胚的影响研究1.思路为了解决质量问题，首先对使用不同扇形块的成型过程进行仿真，考察最终胎胚的形状，但是这个仿真过程太复杂，在仿真技术、仿真时间上，都很难实现。
通过对整个成型过程的深入了解，得知扇形块所起的作用是在成型过程中锁紧胎圈，在锁紧胎圈时会对胶料进行挤压，由于未硫化橡胶黏性大，挤压之后胶料回弹的变形非常小，在使用表面轮廓形状不同的扇形块时，将会形成具有不同胎圈几何形状的胎胚，为此开展了下面两项工作：（1）为比较胎胚几何形状的不同，利用手持式扫描仪对4台不同的成型机生产的胎胚进行轮廓扫描，得到4种胎胚轮廓。
（2）利用有限元方法对扇形块锁紧胎圈的过程进行仿真，比较锁紧后胎圈部位几何形状以及材料面积。
2.不同成型机生产的胎胚形状比较利用手持式扫描仪，对出现内凹外观质量问题的9号、35号和36号以及没有出现问题的127号机台所生产的胎胚分别进行外轮廓扫描，然后利用UG 软件进行处理，得到胎圈的外轮廓形状，见图1。
然后把4种胎胚的外轮廓放在一起进行比较，见图2。
从图2可以看出，4种胎胚胎圈部位的几何形状存在较大差异，这种差异正是来源于扇形块的不同轮廓形状。
3.扇形块锁紧胎圈过程仿真（1）模型建立为了考察扇形块锁紧胎圈过程中胎圈部位胶料的变形情况，建立简化模型，模拟扇形块锁紧胎圈过程，见图3。
胎圈部位材料分布图是利用施工表中各半部件的尺寸和位置画出，不含任何材料压缩效应，其中包括了材料之间的缝隙，见图4。
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目录摘要 (III)Abstract.................................................................................................................... I V 1 绪论 (1)1.1 选题的目的和意义 (1)1.2本课题国内外的研究现状 (1)1.3本课题研究内容 (1)2子午线轮胎特点 (2)2.1 子午线轮胎的结构特点 (2)2.2子午线轮胎的结构分析 (2)3子午线轮胎三维整体有限元模型建立 (4)3.1通用软件简介 (4)3.2单元的选取 (5)3.3 轮胎模型的简化 (8)3.3.1模型建立的要求 (8)3.3.2轮胎模型的简化 (9)3.3.3几何建模 (9)4子午线轮胎静态接触的有限元分析 (11)4.1 有限元分析流程 (11)4.2静态接触的载荷和边界条件的处理 (12)4.2.1轮胎有限元模型的三维非线性 (12)4.2.2轮胎单元材料参数的数值 (13)4.2.3轮胎有限元分析的参数化及模型的自动生成 (14)4.2.4 静态接触的载荷和边界条件的处理 (18)4.3轮胎有限元结果分析 (19)4.3.1静态接触载荷工况 (19)4.3.2轮胎在静态接地状况下的有限元结果分析 (20)5 总结与展望 (24)5.1 总结 (24)5.2 不足与展望 (24)5.3 有限元技术在轮胎和车辆工程中应用展望 (24)参考文献 (25)基于ANSYS的汽车轮胎有限元分析研究摘要本文主要基于ANSYS软件非线性分析技术，采用三维体单元和接触单元，建立了子午线轮胎的静态接触状态下的有限元模型并对其进行分析研究。
利用CATIA对子午线轮胎进行几何建模，运用ANSYS软件对其进行有限元分析，定义材料属性和单元属性，考虑接触问题，得到适合研究轮胎特性的有限元模型。
根据轮胎结构特征及单元的特征，利用ANSYS的参数设计语言APDL对分析问题进行参数化，提高效率，便于对同类问题的分析研究。
关键词：ANSYS；子午线轮胎；接触变形；CATIA；APDLANSYS AND RESEARCH OF MOTOR TYRE BASED ONANSYSAbstractThis paper mainly performs the analysis and research on the radial tyre based on the non-linear analysis of ANSYS and applied software of ANSYS,using three-demension solid element and contacting element , three-dimension finite element contact model of static radial tyre is built.The geometry model of tire is got in CATIA.A finite element model of radial tire is created in ANSYS.Define material characteristics and element types. The contact problem is considered.We got a proper finite element model for studying tire’s characteristic.According to the tyre structural and element charateristic,APDL is applied for research of the analytic problem so as to increase efficiency,so the resembling analysis will be simplified and done easily.Key words: ANSYS ；radial-tyre ；contact- deformation ；CATIA ；APDL1 绪论1.1 选题的目的和意义轮胎作为联结汽车车身与道路的部件，是影响行驶车辆的操纵稳定性、安全性和平顺性的一个关键因素。
汽车的许多重要性能都与轮胎的力学特性有关。
因此，轮胎的研究在汽车工程很重要。
随着汽车向规模化、高速化与专用化方向发展，充气轮胎的使用条件日益苛刻，从而促使轮胎向着子午线化、扁平化、无内胎化的方向发展。
利用ANSYS14.0对子午线轮胎进行有限元分析，可以更加贴近轮胎运动实际工况，从而得出轮胎的各种特性因素，这些分析结果可以为整车性能分析提供依据，提高汽车综合性能分析的精确性。
1.2本课题国内外的研究现状80年代，R.H.Kenndy和Patel,Minminn等人利用三角形常应变单元对子午线轮胎的充气情况进行了分析。
同时，通过改变轮胎的带束层帘线角度，带束层帘线密度和胎体帘线密度等特性参数，对轮胎的充气形状，应力和帘线张力等进行了预测。
Tseng.N.T.和Pelle 等利用二维对称分析对轮胎爆破压力和高数自由旋转引起的破坏进行了模拟。
在预测自由充气状态下轮胎的某些性能方面取得了令人满意的结果。
虽然国内的有限元应用落后于国外许多国家，但国内在有限元的应用研究方面取得很大的进步。
1.3本课题研究内容本论文以60系列的R15型子午线轮胎作为研究对象，利用CATIA对子午线轮胎进行几何建模，运用ANSYS14.0软件对其进行有限元分析，定义材料属性和单元属性，考虑接触问题，得到适合研究轮胎变形和应力的有限元模型。
2子午线轮胎特点2.1 子午线轮胎的结构特点子午线轮胎的结构特点主要有：(1)胎体是轮胎的基础，是由帘线组成的一层一层的结构，其胎体顶层常含有一层由钢丝编成的钢带。
(2)子午线轮胎中的钢丝带具有较好的柔韧性以适应路面的不规则冲击，且经久耐用，它的帘布结构意味着汽车在行驶过程中具有小的摩擦因素，从而获得了较大的胎纹使用寿命和较好的燃油经济性。
(3)子午线轮胎有较好的抓地性。
由于特殊的胎体结构，使得汽车在行驶中抓地结实，效果好。
因此，选用子午线轮胎具有更好的操控性和舒适性。
2.2子午线轮胎的结构分析子午线轮胎（断面结构如图2-1）由具有各向同性的胎面胶，三角胶和胎侧胶等，各向异性的帘布层，带束层等材料组成。
子午线轮胎结构示意图图2-1子午线轮胎由胎冠、胎肩、胎侧和胎体，胎圈等几个主要部分组成。
(1)胎冠胎冠是指在胎体帘布层之外与两胎肩之间的整个部位。
子午线轮胎的胎冠一般由两层以上的带束层来束缚轮胎的周向变形，决定着轮胎的形状并承受着主要应力。
胎面层是轮胎滚动时与路面接触的重要部分，它对保护帘布层，确保与路面间的摩擦系数，发挥有效的制动力和操纵性能都是十分必要的。
为此，在胎面的表面还刻有各种花纹和窄槽，称为胎面花纹。
胎面的磨耗是决定轮胎寿命的最重要因素。
除了采用耐磨耗性好的橡胶材料外，为增加轮胎与路面间的附着力，避免轮胎在湿滑路面上打滑，还要求胎面有良好的抗打滑性能和小的滚动阻力。
部下沿胎面中心线圆周方向箍紧胎体的材料层，主要起增强轮胎周向刚度和侧向刚度，承受大部分的胎面应力。
(2)胎肩胎肩是指较厚的胎冠与较薄的胎侧间的过渡部分。
胎肩表面一般都有花纹，以提高该部分的散热性能。
(3)胎侧胎侧是指胎肩至胎圈之间在胎体侧壁部分的橡胶胶层。
胎侧部的主要作用是保护轮胎侧面的帘布层免受损伤，但它受不到很大的应力，同时不与地面接触，一般受不到磨损，所以它的厚度较小。
但由于在行进过程中，胎侧不断承受屈曲和伸缩，故着重要求有良好耐疲劳性能和耐日光老化性能。
子午线外胎的胎侧胶有很苛刻的要求。
由于异午线轮胎胎侧变形约比普通胎大两倍，因而承受较大的机械疲劳作用。
胎体内，由内压与外界负荷所引起的周向应力，主要为橡胶所承受。
所以，子午线轮胎的胎侧胶除了应该具有最佳的耐屈挠龟裂与防臭氧、大气老化性能外，同时应有很好的耐撕裂、耐机械刺伤及耐裂口扩展等性能，其厚度比普通结构轮胎的胎侧厚些。
(4)帘布层(胎体)帘布层是指由一层或数层帘布与胎圈组成的整体充气轮胎受力结构。
帘布层的两侧边缘靠胎圈部的钢丝圈固定在轮辆突缘和轮惘底座上。
它在保持内压的同时，又是支承载荷的最重要部分。
现在子午线轮胎多为无内胎轮胎，通常为了保持气密性，在帘布层的内侧加一层气密性好的橡胶层(称为气密层)以确保胎壁不漏气。
帘布层是轮胎的骨架，轮胎的强度主要取决于帘布层的强力，因而它被称为“胎体”。
(5)帘胎圈胎圈是指轮胎安装在在轮辋上的部分，其主要由胎圈芯和胎圈包布等组成，主要作用是使轮胎紧密的固定在轮辋上，防止轮胎脱离轮辋。
3子午线轮胎三维整体有限元模型建立3.1通用软件简介CATIA是法国达索公司的产品开发解决方案。
作为PLM协同解决方案的一个重要组成部分，它可以帮助制造厂商设计他们未来的产品，并支持从项目前阶段、具体的设计、分析、模拟、组装到维护在内的全部工业设计流程。
CATIA具有先进的混合建模技术，它所有模块具有全相关性，覆盖了产品开发的整个过程，并行工程的设计使得设计周期大大缩短。
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, UG, CATIA, I－DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。
(1)前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；(2)分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；(3)后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
APDL(ANSYSParmaetrieDesignLanguage)参数化设计语言是ANSYS软件提供给用户的一个依赖于ANSYS程序的交互式软件开发环境，与其它编程语言一样，用建立智能分析的手段为用户提供了自动完成有限元分析的功能。
用户可以利用程序设计语言将ANSYS命令组织起来，编写出参数化的用户程序，从而实现有限元分析的全过程，即建立参数化的CAD模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理。